不同成熟度玉米叶片光合生理对高温胁迫的响应特征及其基因型差异

于康珂，孙宁宁，齐红志，詹 静，顾海靖，刘 刚，潘利文，刘天学,3，4*

(1.河南农业大学 农学院,河南 郑州 450002; 2.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 3.河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002;4.小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 450002)

不同成熟度玉米叶片光合生理对高温胁迫的响应特征及其基因型差异

于康珂1，孙宁宁1，齐红志2，詹 静1，顾海靖1，刘 刚1，潘利文1，刘天学1,3，4*

(1.河南农业大学 农学院,河南 郑州 450002; 2.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 3.河南粮食作物协同创新中心,河南 郑州 450002;4.小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 450002)

为了探索玉米叶片光合生理对高温胁迫的响应特征，以郑单958(ZD958)和先玉335(XY335)为材料，从第9片叶展开期至抽雄期，每天8:30—17:30进行大田人工模拟增温试验，研究了不同成熟度玉米叶片的光合参数和RuBP羧化酶、PEP羧化酶、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的变化。结果表明，高温胁迫下，叶片的SPAD值除了ZD958幼嫩叶片略高于对照(自然生长)外，其余处理均显著低于对照；净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均显著下降，且成熟叶片的下降幅度高于幼嫩叶片；胞间CO2浓度(Ci)增加，幼嫩叶片的增加幅度高于成熟叶片；成熟叶片和幼嫩叶片的PSⅡ最大光化学效率均下降，且幼嫩叶片的下降幅度达到显著水平。高温胁迫下，2个品种成熟叶片和XY335幼嫩叶片的RuBP羧化酶和SPS活性显著降低，ZD958成熟叶片和2个品种幼嫩叶片的PEP羧化酶活性显著增加。可见，高温胁迫显著降低了玉米叶片的光合性能，且对成熟叶片的影响大于幼嫩叶片，对XY335的影响大于ZD958。

玉米； 高温胁迫； 叶片； 光合生理

温度是作物生长发育和产量形成的必要条件之一，只有在适宜的温度条件下，作物才能够良好地生长发育，从而实现高产。玉米起源于中南美洲，是喜温作物，但极端高温天气对玉米的生长发育不利。进入21世纪以来，随着全球气候变化，我国黄淮海夏玉米生育期异常高温天气日趋频繁，严重威胁着玉米的安全生产[1]。高温胁迫不仅引起玉米减产，而且籽粒品质也变差[2-4]。因此，深入研究玉米对高温胁迫的响应机制，对于耐热品种的选育与利用及减灾保产技术的研发具有重要指导意义。

已有研究表明，高温胁迫对玉米籽粒产量和品质形成的影响涉及到生长发育[5]、光合性能[2,6]、光合同化产物的积累[5]、籽粒建成[7]和籽粒库活性[8]等复杂的生理与代谢过程，且不同品种间存在较大差异[9-11]。叶片是植物最重要的光合器官，也是对高温胁迫最敏感的器官之一。周峰等[12]研究表明，高温胁迫下类囊体膜的稳定性对作物光合效率起决定性作用。另外，高温胁迫造成叶片抗氧化系统酶活性和小分子物质抗氧化剂含量降低、丙二醛和超氧阴离子自由基等物质含量增加[13]，从而进一步降低了作物的光合能力[14-15]。高温等非生物胁迫诱发作物叶片衰老加速，但对不同叶龄叶片的影响程度不同[16]，高温对成熟叶片的影响显著大于幼嫩叶片，在高温胁迫结束后，幼嫩叶片的恢复快于成熟叶片[17]。但目前，玉米杂交种间不同成熟度叶片光合生理对高温胁迫的响应机制尚不清楚。鉴于此，本

研究以目前黄淮海夏玉米区大面积种植、耐热性差异显著的郑单958和先玉335[10]为材料，探讨了不同种质来源玉米杂交种不同成熟度叶片光合生理对高温胁迫响应的差异特征，以期为进一步探明玉米的耐热机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

本研究选用目前我国种植面积较大的2个玉米品种，郑单958(ZD958，河南省农业科学院选育，亲本为国内骨干自交系郑58、昌7-2)和先玉335(XY335，美国先锋公司选育，亲本为先锋公司自育的PH6WC、PH4CV)，于2015年在河南省气象科学研究所郑州农业气象观测站综合试验场进行试验。用角铁制成高温处理生长箱的框架固定于田间，增温时在周围用透光率95%的树脂薄膜围住，顶部密封80%，均匀留出20%的空隙，以利于气体交换，增温结束时将树脂膜卷起。高温处理(T)于植株第9片叶展开时每天8:30—17:30进行增温直至抽雄期结束，以生长箱外同一地块自然生长的植株为对照(CK)，3次重复。处理结束后拆除增温装置使其继续生长。增温处理期间用温湿度自动记录仪记录群体穗位气温及相对湿度。

处理期间生长箱内的CO2浓度、光照强度、相对湿度与田间自然状态基本一致，气温平均高于田间4.03 ℃(图1)。

图1 高温处理期间的日均气温(A)及相对湿度(B)

1.2 测定项目及方法

1.2.1 SPAD值 高温处理结束后，每小区选取3株长势相似植株，避开叶脉测定第9叶和穗位叶SPAD值，并记录。第9叶代表成熟叶片，穗位叶代表幼嫩叶片。

1.2.2 光合参数 高温处理结束后，用LI-6400型光合测定仪(LI-COR,美国)于11:00测定植株第9叶和穗位叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和PSⅡ最大光化学效率等参数，每小区测定3株。使用随光合仪配置的适合自然光照射下测量用的标准叶室。

1.2.3 光合酶活性 1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的测定采用酶联免疫法，试剂盒由上海酶联生物科技有限公司提供。

1.3 数据处理与分析

采用Excel软件进行数据整理及图表绘制，采用SPSS 20.0 软件进行数据统计分析，采用Duncan’s新复极差法进行处理间差异性检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫对不同基因型玉米叶片SPAD值的影响

植物叶片SPAD值的大小反映了叶绿素的相对含量。由图2可知，高温胁迫下，除了ZD958幼嫩叶片的SPAD值较对照略有升高外，其余处理较对照均显著下降。高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的SPAD值较其对照分别降低了11.48%和5.90%， XY335幼嫩叶片的SPAD值较对照降低了10.60%。

* 表示同一品种的同一部位叶片在处理间

2.2 高温胁迫对不同基因型玉米叶片光合参数的影响

2.2.1 Pn 如图3所示，高温胁迫下，玉米成熟叶和幼嫩叶的Pn均显著下降，且成熟叶的下降幅度明显大于幼嫩叶。与对照相比较，高温胁迫下ZD958和XY335成熟叶片的Pn分别降低29.05%和32.10%，幼嫩叶片的Pn分别降低12.03%和12.26%。

2.2.2 Tr 由图4可见，高温胁迫下，ZD958和XY335的成熟叶片和幼嫩叶片的Tr均显著下降，且成熟叶的下降幅度明显大于幼嫩叶。与对照相比较，高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的Tr分别降低了45.09%和29.78%，幼嫩叶片的Tr分别降低了10.39%和9.99%。

图3 高温胁迫对玉米叶片Pn的影响

图4 高温胁迫对玉米叶片Tr的影响

2.2.3 Gs 如图5所示，自然条件下，玉米幼嫩叶片Gs高于成熟叶片。高温胁迫下，成熟叶片和幼嫩叶片的Gs均显著下降，且成熟叶片的Gs降幅大于幼嫩叶片。与对照相比，高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的Gs分别降低了29.56%和30.64%，幼嫩叶片的Gs分别降低了5.37%和8.83%。

图5 高温胁迫对玉米叶片Gs的影响

2.2.4 Ci 由图6可见，高温胁迫下，ZD958和XY335的成熟叶片和幼嫩叶片的Ci均升高，其中XY335成熟叶和2个品种幼嫩叶的Ci增幅显著，XY335成熟叶的增幅大于ZD958。与对照相比，高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的Ci分别升高了1.54%和51.16%，幼嫩叶片的Ci分别升高了8.80%和47.93%。

图6 高温胁迫对玉米叶片Ci的影响

2.2.5 PSⅡ最大光化学效率 由图7可知，自然条件下，幼嫩叶片最大光化学效率略高于成熟叶片，且XY335高于ZD958。高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的最大光化学效率较对照略有下降，而幼嫩叶片最大光化学效率分别降低了4.36%和7.24%，与对照差异显著。

图7 高温胁迫对玉米叶片PSⅡ最大光化学效率的影响

2.3 高温胁迫对不同基因型玉米叶片光合酶活性的影响

2.3.1 RuBP羧化酶活性 如图8所示，高温胁迫下，2个玉米品种的成熟叶片和幼嫩叶片的RuBP羧化酶活性较对照均有不同程度的下降，成熟叶片的降幅大于幼嫩叶片。与对照相比较，高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的RuBP羧化酶活性分别降低了18.20%和28.18%，而幼嫩叶片的RuBP羧化酶活性分别降低了3.38%和11.23%。

图8 高温胁迫对玉米叶片RuBP羧化酶活性的影响

2.3.2 PEP羧化酶活性 由图9可知，在高温胁迫下，2个玉米品种叶片的PEP羧化酶活性均较对照升高，且ZD958成熟叶片和幼嫩叶片的增幅均大于XY335。与对照相比较，高温胁迫下，ZD958和XY335成熟叶片的PEP羧化酶活性分别升高38.24%和3.41%，幼嫩叶片PEP羧化酶活性分别升高16.96%和9.65%。

图9 高温胁迫对玉米叶片PEP羧化酶活性的影响

2.3.3 SPS活性 由图10可知，高温胁迫下，2个玉米品种叶片的SPS活性均较对照下降，ZD958和XY335成熟叶片的SPS活性较对照分别降低了23.38%和45.60%，差异均达到显著水平；而幼嫩叶片的SPS活性较对照分别降低了7.47%和15.06%，XY335降幅显著。

图10 高温胁迫对玉米叶片SPS活性的影响

3 结论与讨论

逆境胁迫对作物生长和光合特性的影响已有广泛研究。高温胁迫主要通过抑制PSⅡ原初电子转换效率、荧光猝灭系数和碳代谢关键酶活性等影响作物的生长发育和光合能力[18-20]。本研究结果显示，高温胁迫下，玉米成熟叶片叶绿素含量显著下降，但幼嫩叶片中叶绿素含量变化在品种间存在差异，主要表现为XY335显著下降，而ZD958则稍有所上升。高温胁迫导致2个玉米品种叶片Pn显著下降，且成熟叶片降幅大于幼嫩叶片，XY335降幅大于ZD958。高温胁迫使2个玉米品种叶片Gs降低，而Ci升高，说明高温胁迫下光合速率的降低由非气孔因素造成。高温胁迫下，叶片Tr的降低有利于植株自我保护，本研究结果显示，2个玉米品种在高温胁迫下叶片Tr均显著下降，且成熟叶片较幼嫩叶片有较大降幅，表明成熟叶片受高温胁迫伤害严重。自然条件下，玉米幼嫩叶片的PSⅡ最大光化学效率略高于成熟叶片，而高温胁迫下其幼嫩叶片PSⅡ最大光化学效率降低幅度显著大于成熟叶片，可能由于成熟叶片中光合机构、类囊体膜上的电子传递活性和传递效率比幼嫩叶片更为稳定，从而保持较高的活性和效率。

张雷明等[21]研究表明，叶片RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性与同化物积累量、籽粒质量呈显著正相关关系。RuBP羧化酶是作物光合碳同化的关键酶，其活性和含量对叶片衰老很敏感，并显著限制叶片光合速率，同时，PEP羧化酶可重新固定呼吸作用释放的CO2，以增加碳素积累，提高籽粒蛋白质的含量。薛伟等[22]研究表明，高温胁迫使作物叶片RuBP羧化酶活性先增加后降低，最终造成光合性能下降，导致叶片衰老加速。本研究结果则显示，高温胁迫使2个玉米品种的成熟叶片和幼嫩叶片的RuBP羧化酶活性均降低，而PEP羧化酶活性均有所升高，其中2个品种的幼嫩叶片和ZD958的成熟叶片升高幅度达到显著水平。SPS作为蔗糖合成的关键酶，对高温的响应极易影响糖的积累。赵福成等[23]研究表明，高温使蔗糖代谢酶活性降低，从而使蔗糖和淀粉的含量降低。本研究也得出与之相一致的结论，高温胁迫下，2个玉米品种的成熟叶片和幼嫩叶片的SPS活性显著降低，且成熟叶片有较低的活性和较大的降幅，XY335叶片的降幅大于ZD958叶片。

总之，高温胁迫导致玉米光合生理活性下降，但对不同成熟度的叶片影响程度不同，且品种间存在差异，其对成熟叶片的影响大于幼嫩叶片，对XY335的影响大于ZD958。

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Photosynthetic Physiological Response Character of Different Maturity Maize Leaves to Heat Stress and Their Genotype Difference

YU Kangke1,SUN Ningning1,QI Hongzhi2,ZHAN Jing1,GU Haijing1,LIU Gang1,PAN Liwen1,LIU Tianxue1,3,4*

(1.Agronomy College,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2.Institute of Agricultural Economics and Information,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 3.Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops,Zhengzhou 450002,China; 4.State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450002,China)

In order to explore the photosynthetic physiological response character to heat stress of maize leaves,the maize hybrids ZD958 and XY335 were used as materials,and heat stress was imposed from the 9th leaf stage to tasseling stage in 8:30—17:30 in the field conditions,the photosynthetic parameters,the activities of RuBPCase,PEPCase and sucrose phosphate synthase(SPS) were studied.The results showed that compared with control(normal condition),under heat stress,the leaf SPAD value decreased significantly except the juvenile leaf of ZD958,net photosynthesis rate(Pn),evaporation rate(Tr),and stomatal conductance(Gs) were decreased significantly with a larger reduction extent of maturity leaves than juvenile leaves，intercellular CO2concentration(Ci) increased more in juvenile leaves than in maturity leaves，the maximum photochemical efficiency of PSⅡ was decreased with the juvenile leaves decreasing significantly，RuBPCase and SPS activities of maturity leaves of ZD958 and XY335 and the juvenile leaves of XY335 were decreased significantly,PEPCase activities of maturity leaves of ZD958 and the juvenile leaves of ZD958 and XY335 increased significantly.In conclusion,heat stress resulted in a significant decrease of photosynthesis capacity of maize leaves,and the influence of heat stress on maturity leaves was larger than that on juvenile leaves.ZD958 was more tolerant to heat stress than XY335.

maize; heat stress; leaf; photosynthetic physiology

2017-02-04

国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203029)；“十二五”国家粮食丰产科技工程项目(2013BAD07B07)

于康珂(1989-)，女，河南汝州人，在读硕士研究生，研究方向：玉米生理生态。E-mail:18837199747@163.com

*通讯作者：刘天学(1965-)，男，河南商水人，教授，博士，主要从事玉米生理生态研究。E-mail:tianxueliu2005@163.com

S513

A

1004-3268(2017)05-0034-05